Čestica neutrina: definicija, svojstva, opis. Oscilacije neutrina su ...

Neutrino je elementarna čestica koja je vrlo slična elektronu, ali nema električni naboj. Ima vrlo malu masu koja može biti čak i nula. Brzina neutrina također ovisi o masi. Razlika u vremenu dolaska čestice i svjetlosti iznosi 0,0006% (± 0,0012%). Tijekom 2011. godine, tijekom eksperimenta OPERA, ustanovljeno je da je brzina neutrina brža od svjetlosti, no neovisno iskustvo to nije potvrdilo.

Elusivna čestica

Ovo je jedna od najčešćih čestica u svemiru. Budući da vrlo malo interagira s materijom, nevjerojatno je teško otkriti. Elektroni i neutrini ne sudjeluju u snažnim nuklearnim interakcijama, ali jednako sudjeluju u slabima. Čestice koje posjeduju takva svojstva nazivaju se leptoni. Uz elektron (i njegovu antičesticu, pozitron), nabijeni leptoni uključuju muon (200 elektronskih masa), tau (3500 elektronskih masa) i njihove antičestice. Pozvani su tako: elektron, muon i tau neutrino. Svaki od njih ima antimaterijalnu komponentu, nazvanu antineutrinos.

Muon i tau, poput elektrona, imaju čestice koje ih prate. To je muon i tau neutrino. Tri vrste čestica međusobno se razlikuju. Na primjer, kada muonski neutrinovi stupaju u interakciju s ciljanjem, oni uvijek stvaraju muone, a nikada ni tau ili elektrone. U interakciji čestica, iako se mogu stvoriti i uništiti elektroni i elektronski neutrini, njihova suma ostaje nepromijenjena. Ova činjenica dovodi do odvajanja leptona u tri tipa, od kojih svaka posjeduje nabijeni lepton i pripadajući neutrino.

Vrlo veliki i izuzetno osjetljivi detektori potrebni su za otkrivanje ove čestice. Tipično, niskoenergetski neutrini putovat će mnogo godina svjetlosti prije nego što se interakciju s materijom. Slijedom toga, svi pokusi temeljeni na njima se oslanjaju na mjerenje njihove male frakcije u interakciji s snimačima razumne veličine. Na primjer, u observatoriju Sudburgi neutrina, koji sadrži 1000 tona teške vode, oko detektora prolazi oko 1012 solarnih neutrina u sekundi. Pronađeno je samo 30 dnevno.

Povijest otkrića

Wolfgang Pauli prvi su postulirali postojanje čestica 1930. godine. U to je vrijeme nastao problem jer se činilo da energija i kutni zamah nisu ustrajali u beta-propadanju. Ali Pauli je zabilježio da ako se emitira neutralna neutralna čestica koja ne reagira na interakciju, promatra se zakon o očuvanju energije. Talijanski fizičar Enrico Fermi 1934. godine razvio je teoriju beta raspadanja i davao česticu njegovo ime.

Unatoč svim predviđanjima, za 20 godina neutrini nisu mogli biti otkriveni eksperimentalno zbog svojih slaba interakcija s tvarima. Budući da čestice nisu električki napunjene, elektromagnetske sile ne djeluju na njih i, stoga, ne uzrokuju ionizaciju tvari. Osim toga, oni reagiraju na materiju samo kroz slabe interakcije zanemarive sile. Stoga su one najcjelotvornije subatomske čestice sposobne prolaziti kroz veliki broj atoma bez izazivanja bilo kakve reakcije. Samo 1 od 10 milijardi ovih čestica, koje prolaze kroz materiju na udaljenosti jednakom promjeru Zemlje, reagira s protonom ili neutronskim.

Konačno, 1956. godine, izvijestila je skupina američkih fizičara, na čelu s Frederick Reines otkriće elektroni-antineutrini. U svojim eksperimentima, antineutrini koji su emitirali nuklearni reaktor u interakciji s protonom, stvarajući neutrone i pozitrone. Jedinstvene (i rijetke) energetske potpise ovih potonjih nusproizvoda postale su dokaz postojanja čestice.

Otkriće nabijenih muon leptona bila je polazna točka za naknadnu identifikaciju druge vrste neutrino-muona. Njihova identifikacija provedena je 1962. godine na temelju rezultata eksperimenta u akceleratoru čestica. Visokoučinkoviti muonski neutrinovi nastaju propadanjem piona i usmjereni su na detektor na takav način da se mogu proučavati njihove reakcije na materiju. Unatoč činjenici da su ne-reaktivni, kao i druge vrste čestica, utvrđeno je da su u rijetkim slučajevima kada reagiraju s protona ili neutrona, muons, neutrini muons, ali nikad elektrona. Godine 1998. američki fizičari Leon Lederman, Melvin Schwarz i Jack Steinberger dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za identifikaciju muon neutrina.

Sredinom sedamdesetih godina, fizika neutrina je nadopunila druga vrsta nabijenih leptona - tau. Nađeno je da su Tau neutrini i tau antineutrini vezani za ovaj treći napunjeni lepton. Godine 2000. fizičari u National Accelerator Laboratoryu. Enrico Fermi je izvijestio o prvom eksperimentalnom dokazu o postojanju ove vrste čestica.

težina

Sve vrste neutrina imaju masu koja je znatno manja od onih njihovih nabijenih partnera. Na primjer, eksperimenti pokazuju da masa elektrona i neutrina mora biti manja od 0,002% elektronske mase i da zbroj masa tri vrste mora biti manji od 0,48 eV. Mnogo je godina činilo da je masa čestice bila nula, iako nije bilo uvjerljivih teorijskih dokaza zašto bi to trebalo biti tako. Zatim, u 2002, Sudbury Neutrino Observatory dobiven prve izravne dokaze da je elektronski neutrino emitira nuklearnih reakcija u jezgri Sunca, dok oni prolaze kroz njega, izmijenili vrstu. Takve "oscilacije" neutrina moguća su ako jedna ili više vrsta čestica imaju određenu malu masu. Njihove studije o interakciji kozmičkih zraka u Zemljinoj atmosferi također ukazuju na prisutnost mase, no potrebne su daljnje eksperimente radi točnijeg određivanja.

Izvori informacija

Prirodni izvori neutrina su radioaktivno raspadanje elemenata u unutrašnjosti Zemlje, pod kojim se emitira veliki protok slabo energetskih elektrona - antineutrini. Supernove su također pogodno neutrino fenomen, jer te čestice mogu samo prodrijeti hiperdenznu tvar koja je nastala u urušavanja zvezde- samo mali dio energije pretvara u svjetlo. Izračuni pokazuju da je oko 2% energije Sunca energija neutrina proizvedena u reakcije termonuklearnih sinteza. Vjerojatno je da se većina tamne materije svemira sastoji od neutrina nastalih tijekom Big Banga.

Problemi fizike

Područja povezana s neutrinsima i astrofizikom su različita i brzo se razvijaju. Trenutačna pitanja, koja uključuju veliki broj eksperimentalnih i teorijskih napora, su kako slijedi:

• Koje su mase različitih neutrina?
• Kako utječu na kozmologiju Velikog praska?
• Osciliraju li?
• Može li se neutrinos jednog tipa pretvoriti u drugi dok god putuju kroz materiju i prostor?
• Jesu li neutrini bitno različiti od njihovih antičestica?
• Kako se zvijezde razgrađuju i tvore supernove?
• Koja je uloga neutrina u kozmologiji?

Jedan od dugotrajnih problema od posebnog interesa je takozvani problem solarnih neutrina. Ovo se ime odnosi na činjenicu da je tijekom nekoliko pokusa na zemlji izvedeno tijekom posljednjih 30 godina, manje su čestice bile stalno promatrane nego bile potrebne za proizvodnju energije zračene suncem. Jedno od mogućih rješenja je oscilacija, tj. Konverzija elektronskih neutrina u muonik ili tau tijekom putovanja na Zemlju. Budući da je mnogo teže mjeriti niskoenergetski muon ili tau-neutrini, ova vrsta transformacije može objasniti zašto ne promatramo točan broj čestica na Zemlji.

Četvrta Nobelova nagrada

Nobelovu nagradu za fiziku za godinu 2015. dobio je Takaaki Kadzite i Arthur MacDonald za otkrivanje mase neutrina. Ovo je četvrta takva nagrada, koja se odnosi na eksperimentalna mjerenja ovih čestica. Netko bi mogao biti zainteresiran za pitanje zašto bismo se toliko trebali brinuti o nečemu što teško komunicira s običnim stvarima.

Puka činjenica da možemo otkriti ove prolazne čestice je dokaz ljudske genijalnosti. Budući da su pravila kvantne mehanike vjerojatna, znamo da, unatoč činjenici da gotovo svi neutrini prolaze kroz Zemlju, neki od njih će komunicirati s njom. Detektor velike veličine može ga registrirati.

Prvi takav uređaj izgrađen je u šezdesetima duboko u rudniku u Južnoj Dakoti. Rudnik je napunio 400 tisuća litara tekućine za čišćenje. U prosjeku, jedna čestica neutrina komunicira sa atomom klora svaki dan, pretvarajući ga u argon. Nevjerojatno, Raymond Davis, koji je bio odgovoran za detektor, izumio metodu za otkrivanje višestrukih argon atoma, a četiri desetljeća kasnije, 2002. godine, za ovaj zadivljujući inženjering podvig dobio je Nobelovu nagradu.

Nova astronomija

Budući da neutrini djeluju tako slabo, mogu putovati velikom udaljenostom. Daju nam priliku pogledati mjesta koja inače nikada ne bi vidjeli. Neutrini otkrivena Davis, koji nastaju kao posljedica nuklearnih reakcija koje su se dogodile u srcu sunca, te su mogli napustiti ovaj nevjerojatno gusta i vruće mjesto samo zato što oni ne interakciju s drugom pitanju. Čak se može otkriti i neutrino koji leti iz središta eksplozivne zvijezde na udaljenosti od više od stotinu tisuća svjetlosnih godina od Zemlje.

Osim toga, te čestice omogućuju da promatramo svemir na svojim malim mjerilima, mnogo manjim od onih koje Large Hadron Collider u Ženevi može vidjeti, Higgs boson. Zato je Nobelova komisija odlučila dodijeliti Nobelovu nagradu za otkriće druge vrste neutrina.

Tajanstveni nedostatak

Kada je Ray Davis promatrao solarne neutrone, našao je samo trećinu očekivanog broja neutrina. Većina fizičari vjeruju da je razlog za to je slabo poznavanje astrofizike Sunca: možda zasjala podzemlje model precjenjuje količinu proizvedene u neutrina. Ipak, dugi niz godina, čak i nakon što su solarni modeli poboljšani, deficit je nastavio. Fizičari su skrenuli pozornost na drugu mogućnost: problem se može odnositi na naše ideje o tim česticama. U skladu s tada prevladavajućom teorijom, oni nisu imali mnoštvo. No, neki fizičari tvrde da je zapravo čestice imale infinitezimalnu masu, a ta je masa bila razlog njihovog nedostatka.

Četiri s tri lica

Prema teoriji oscilacija neutrina, u prirodi postoje tri različite vrste neutrina. Ako čestica ima masu, onda kada se kreće, može ići iz jedne vrste u drugu. Tri vrste - elektronički, muon i tau - mogu komunicirati s materijom u odgovarajuću napunjenu česticu (elektron, muon ili tau lepton). "Oscilacija" je zbog kvantne mehanike. Vrsta neutrina nije konstantna. S vremenom se mijenja. Neutrin, koji je započeo svoje postojanje kao elektronski, može se pretvoriti u muon, a potom natrag. Dakle, čestica koja nastaje u Sunčevoj jezgri, na putu prema Zemlji, može periodički pretvoriti u muon neutrino i obrnuto. Budući da je Davis detektor mogao otkriti samo jedan elektronski-neutrino koji je mogao dovesti do nuklearne transmutacije klora u argon, činilo se da je moguće da nestali neutrini pretvore u druge vrste. (Kao što se ispostavilo, neutrinosi osciliraju unutar Sunca, a ne na putu prema Zemlji).

Kanadski eksperiment

Jedini način da to potvrdimo bio je stvoriti detektor koji je radio za sva tri tipa neutrina. Počevši od 90-ih godina Arthur McDonald od Queen Sveučilišta u Ontariju, vodio je tim, koji se provodi u rudniku u Sudbury, Ontario. Instalacija je sadržavala tona teške vode koju je osigurala Vlada Kanade. Teška voda je rijedak, ali prirodni oblik vode u kojem je vodik koji sadrži jedan proton zamijenjen njegovim teškim izotopnim deuterijem koji sadrži proton i neutron. Kanadska vlada pohranila je tešku vodu, jer se koristi kao rashladna tekućina u nuklearnim reaktorima. Sva tri tipa neutrina mogla bi uništiti deuterij stvaranjem protona i neutrona, a zatim se brojati neutroni. Detektor je zabilježio oko tri puta veći broj čestica u usporedbi s Davisom - točno onoliko koliko su predvidjeli najbolji modeli Sunca. To nam je omogućilo pretpostaviti da elektron neutrino može oscilirati na druge vrste.

Japanski eksperiment

Otprilike u isto vrijeme, Takaaki Kajita sa Sveučilišta u Tokiju proveo je još jedan izuzetan eksperiment. Detektor instaliran u rudniku u Japanu zabilježio je neutrini koji ne dolaze iz dubina sunca, već s gornjih slojeva atmosfere. U sudaru protona kozmičkih zraka s atmosferom, oblikuju se tuševi drugih čestica, uključujući muon neutrini. U rudniku su pretvorili jezgru vodika u muone. Kajita detektor može promatrati čestice koje dolaze u dva smjera. Neki su padali odozgo, dolazeći iz atmosfere, dok su se drugi kretali odozdo. Broj čestica bio je različit, što je pokazivalo drukčiju prirodu - bile su na različitim mjestima njihovih ciklusa oscilacije.

Udar u znanosti

Sve je egzotično i iznenađujuće, ali zašto oscilacije i masa neutrina privlače toliku pažnju na sebe? Razlog je jednostavan. U standardnom modelu elementarne fizike čestica, koji se razvio tijekom posljednjih pedesetih dvadesetog stoljeća, koji je ispravno opisao sva ostala zapažanja u akceleratorima i drugim eksperimentima, neutrini su morali biti bez masnoće. Otkriće neutrinske mase pokazuje da nešto nedostaje. Standardni model nije potpun. Elementi koji nedostaju tek trebaju biti otkriveni - uz pomoć Large Hadron Collider-a ili drugog stroja koji još nije stvoren.